Paweł Kułaga 1, Tomasz Krakowski 2, Tomasz Magiera 3, Szymon Molski 4, Hubert Ruta 5 AGH w Krakowie Akwizycja danych pomiarowych podczas diagnostyki urządzeń transportu linowego Wprowadzenie Ciągły wzrost wymagań dotyczących bezpieczeństwa użytkowania obiektów technicznych prowadzi do doskonalenia już istniejących i opracowywania nowych metod badań nieniszczących. Badania te służą do oceny stanu zużycia, właściwości materiałów oraz wykrywania nieciągłości w nich występujących bez wywołania zmian właściwości użytkowych. Jedną z dziedzin badań nieniszczących jest badanie magnetyczne lin stalowych (MRT). Umożliwia ona wykrycie i zlokalizowanie w linach stalowych uszkodzeń takich jak: pęknięcia pojedyncze i skupione drutów zarówno w warstwach zewnętrznych, jak i wewnętrznych liny, starcia powierzchniowe, korozję, a także wszelkiego rodzaju jej deformacje. Na podstawie zarejestrowanych sygnałów, wywołanych powyższymi wadami, istnieje możliwość obliczenia procentowego ubytku przekroju metalicznego w linie (jej miejscowe osłabienie), a w konsekwencji określenie jej aktualnego stanu technicznego. [1] Liny stalowe wykorzystywane są w wielu urządzeniach technicznych otaczających nas na co dzień, takich jak koleje linowe, górnicze wyciągi szybowe, dźwigi osobowe i osobowo-towarowe, czy też konstrukcje cięgnowe wykorzystywane w budownictwie - liny wantowe mostów linowych czy odciągi masztów radiowo-telewizyjnych. Stan techniczny w powyższych urządzeniach jest bardzo ważny ze względów ekonomicznych, a w szczególności bezpieczeństwa osób z nich korzystających. Aparatura badawcza wykorzystywana do badania lin stalowych składa się z głowicy pomiarowej oraz rejestratora, tzw. defektografu. Głowica jest urządzeniem służącym do wytwarzania pola magnetycznego. W niej umieszczone są czujniki, z których sygnał rejestrowany jest przez defektograf. Obecnie jednym z najczęściej stosowanych w Polsce defektografów jest model MD120. Rejestracja sygnałów generowanych w głowicy magnetycznej podczas badania liny stalowej odbywa się równocześnie w pamięci rejestratora oraz na taśmie papierowej poprzez drukarkę termiczną. Na skutek takiego rozwiązania bezpośrednia analiza otrzymanych sygnałów jest skomplikowana i uciążliwa oraz prawie niemożliwa do zautomatyzowania. Również sam zapis sygnałów na karcie pamięci w standardzie PCMCIA, który obecnie nie jest już stosowany, mocno ogranicza możliwości automatyzacji analizy otrzymanych wyników i przyspieszenia procesu diagnostycznego. [2] Dlatego zaistniała potrzeba opracowania koncepcji i prototypu nowego rejestratora do badań magnetycznych lin stalowych, który wyeliminowałby wady dotychczas stosowanego defektografu. Przedstawione w artykule autorskie rozwiązanie rejestratora bazuje na rozwiązaniu, które pozwala na zapis sygnału diagnostycznego, otrzymywanego podczas badań, bezpośrednio w bazie danych na serwerze. Dzięki temu wyniki pomiarów mogą być analizowane na bieżąco, zarówno na miejscu badań, jak również poza nim. Zaletą tego rozwiązania jest także łatwość zarządzania dokumentacją oraz dostępność wyników z poprzednich badań, w każdym miejscu i czasie. 1 Paweł Kułaga, AGH w Krakowie, Katedra Transportu Linowego, Kraków, Polska, kulaga.pawel@gmail.com 2 Tomasz Krakowski, AGH w Krakowie, Katedra Transportu Linowego, Kraków, Polska, krakowsk@agh.edu.pl 3 Tomasz Magiera, AGH w Krakowie, Katedra Transportu Linowego, Kraków, Polska, magiera@agh.edu.pl 4 Szymon Molski, AGH w Krakowie, Katedra Transportu Linowego, Kraków, Polska, molski@imir.agh.edu.pl 5 Hubert Ruta, AGH w Krakowie, Katedra Transportu Linowego, Kraków, Polska, hubert.ruta@agh.edu.pl 9359
Metoda MTR Istotą metody magnetycznej badania lin stalowych jest ich namagnesowanie stałym polem magnetycznym i następnie prowadzeniem obserwacji pola rozproszenia nad miejscami uszkodzeń drutów stalowych. [3] Rys. 3. Rozkład pola magnetycznego w linie nieuszkodzonej: 1 zwora, 2 użyteczny strumień rozproszenia, 3 magnesy trwałe, 4 badana lina, 5 nabiegunnik. W przypadku, gdy występuje skokowa zmiana przekroju (pęknięcie drutów, lub zmiana struktury liny: pętle, korkociągi) linie użytecznego pola magnetycznego przestają być równoległe do powierzchni liny i ulegają zaburzeniu (rys. 4). [3] Rys. 4. Rozkład pola magnetycznego w linie uszkodzonej: 1 5 ( wg rys 1.1), 6 indukcyjny czujnik pomiarowy skokowych zmian przekroju, 7 uszkodzenie W osi głowicy pomiędzy nabiegunnikami znajdują się czujniki (6) indukcyjne i hallotronowe. Przemieszczanie liny z uszkodzeniem skutkuje chwilową zmianą użytecznego strumienia magnetycznego przepływającego przez czujnik. Na skutek zmian składowych pola rozproszenia w szeregowo połączonych cewkach czujnika indukuje się siła elektromotoryczna proporcjonalna do wielkości wady, która wywołała to zaburzenie. [3] Wartość siły elektromotorycznej jest zatem sygnałem diagnostycznym rejestrowanym przez defektograf, który następnie poddawany jest odpowiedniej analizie. [4] Prototyp rejestratora Mając na uwadze ograniczenia obecnie stosowanego rozwiązania, poczyniono założenia konstrukcyjne dla opracowywanego nowego rejestratora. Przyjęto również, iż dla celów badawczych oraz weryfikacji otrzymanych wyników wykorzystana zostanie głowica magnetyczna serii GM60 SPLITE (rys.5) z jej standardowym wyposażeniem (przetwornikiem drogi - enkoderem, kablami i układami połączeń). 9360
Logistyka nauka Rys. 5 Głowica magnetyczna GM60 SPLITE na stanowisku laboratoryjnym. W efekcie tego na rysunku 6 przedstawiono schemat ideowy przyjęty do wykonania laboratoryjnego prototypu rejestratora. Rys. 6. Przyjęty schemat ideowy prototypowego rejestratora laboratoryjnego. Sygnał analogowy generowany przez głowicę pomiarową (1) jest funkcją ciągłą napięcia. Aby umożliwić zapis cyfrowy sygnału, skonstruowano układ elektroniczny składający się ze wzmacniaczy, stablizatorów napięcia oraz przetwornika analogowo cyfrowego (4), który przetwarza sygnał ciągły (analogowy) na sygnał dyskretny (cyfrowy). Pomiar odległości i prędkości względem liny odbywa się poprzez zastosowanie enkodera (2) zamontowanego przy głowicy magnetycznej. Zaimplementowane oprogramowanie prototypowego rejestratora w sposób ciągły kompensuje wpływ prędkości na końcową wartość mierzoną. 9361
Kolejnym elementem układu jest komputer (4). Jego głównym zadaniem jest sterowanie przetwornikiem analogowo cyfrowym, wstępne przetwarzanie danych oraz ich wysyłanie na dedykowany serwer danych. W prototypie rolę komputera pełni Raspberry Pi ( rys. 7), którego największymi atutami jest niska cena oraz złącze GPIO. Oferuje ono możliwość zasilania zewnętrznego układu napięciem 5V oraz 3.3V, komunikację za pomocą protokołów I2C, SPI oraz UART.[6] W przypadku prezentowanego rozwiązania komunikacja pomiędzy układem elektronicznym i komputerem odbywa się za pomocą protokołu SPI. Rys. 7. Mini komputer Raspbeerry Pi. Źródło: Oficjalna strona internetowa Raspberry Pi Foundation www.raspberrypi.org Software Wyniki pomiarów przechowywane są na dedykowanym serwerze w specjalnie stworzonej bazie danych. Oprócz bazy danych na serwerze jest umieszczona aplikacja webowa z interfejsem użytkownika na specjalnej stronie www. Umożliwia ona podgląd wyników pomiaru w czasie rzeczywistym przy wykorzystaniu zwykłej przeglądarki internetowej, a także dostęp do archiwalnych danych pomiarowych. Na rysunku 8 przedstawiono przykładowy wygląd interfejsu www użytkownika. Rys. 8. Interfejs użytkownika. Opracowana aplikacja webowa pozwala na automatycznie oznaczanie na kolor czerwony miejsc potencjalnie niebezpiecznych. Są to odcinki liny, w których sygnał jest wyższy od ustalonego progu, co znaczy, iż uszkodzenia przekraczają przyjęta dopuszczalną wartość. Dokładny pomiar wartości w wybranym miejscu liny odbywa się poprzez najechanie kursorem na wykres. Istnieje możliwość dowolnego powiększania lub pomniejszania wykresu w celu dokładnej analizy wartości. Dodatkowo, aplikacja podaje aktualną 9362
Logistyka nauka prędkość pomiaru, całkowitą przebadaną długość liny, jak również zapewnia możliwość podglądu dowolnego odcinka liny. Wyniki pomiarów W celu weryfikacji poprawności działania prototypu rejestratora, głowicy GM60 Splite oraz opracowanego oprogramowania przeprowadzono szereg pomiarów weryfikacyjnych na stanowisku laboratoryjnym (rys. 9), wykorzystując tak zwaną linę bez końca. Rys. 9. Pomiary weryfikacyjne na stanowisku laboratoryjnym. Lina testowa posiadała zamodelowane grupy uszkodzeń generujących sygnały odpowiadające różnym stopniom ubytku przekroju metalicznego. Przeprowadzone próby wykazały poprawność przyjętych założeń koncepcyjnych i stabilność opracowanego oprogramowania. W celu sprawdzenia powtarzalności pomiarowej zbudowanego systemu diagnostycznego, dokonano szeregu 76 pomiarów wartości sygnału z czujnika wewnętrznego dla wybranego zamodelowanego uszkodzenia na linie bez końca. Każdy z pomiarów wykonano z inną prędkością liny (0,85 m/s; 1 m/s; 1,15 m/s) ustawianą za pomocą falownika sterującego napędem stanowiska laboratoryjnego. Otrzymany defektogram z badania całej liny oraz defektogram prezentujący sygnał od wybranego uszkodzenia w powiększeniu przedstawia rysunek 10. 9363
Rys. 10. Defektogram liny testowej z modelami uszkodzeń oraz widok defektogramu analizowanego sygnału w powiększeniu. Na rysunku 11 przedstawiono w postaci wykresu analizę liczby wystąpień oraz funkcji gęstości prawdopodobieństwa wartości zarejestrowanego sygnału dla wybranego uszkodzenia. Rys. 11. Wykres liczby wystąpień oraz funkcji gęstości prawdopodobieństwa zarejestrowanego sygnału dla wybranego uszkodzenia (suma wszystkich pomiarów). Korzystając z testu Shapiro Wilka z przyjętym poziomem istotności α = 0,05, stwierdzono, że wartości zmierzone cechują się rozkładem normalny. Świadczy to o poprawności działania prototypowego urządzenia oraz braku wpływu prędkości na wartość mierzoną. [5] Podsumowanie W artykule wykazano, iż opracowany sposób akwizycji danych pomiarowych, uzyskanych dzięki nowemu prototypowi rejestratora danych, pozwala na analizę wyników prowadzonych pomiarów na bieżąco przez kompetentne osoby, niezależnie od ich aktualnego miejsca przebywania. Ponad to dzięki przechowywaniu wyników pomiarów w bazie danych uzyskano łatwość zarządzania gromadzoną dokumentacją badań oraz szybki dostęp do poszczególnych wyników badań. Dzięki temu mając dostęp do historii oraz 9364
wyników aktualnych badań liny będzie można w przyszłości dużą łatwością prognozować dalszy przebieg procesów jej zużycia. Streszczenie W pracy przedstawiono prototypowy system akwizycji danych pomiarowych w badaniach magnetycznych lin stalowych. Omawiany sposób gromadzenia i przechowywania wyników pomiarów składa się z urządzenia rejestrującego i części softwarowej, która została umieszczona na serwerze. System został przetestowany w warunkach labolatoryjnych. W artykule omówiono podstawowe możliwości systemu oraz przedstawiono analizę wyników z preprowadzonych testów. Słowa kluczowe: Badania magnetyczne lin stalowych, Badania nieniszczące, MTR, liny stalowe SIGNAL ACQUISITION IN THE MAGNETIC DEFECTOSCOPY OF STEEL WIRE ROPES Abstract This work presents a custom data acquisition system used in magnetic NDT of wire ropes. Discussed gathering and storing results method consists of registering device and server software. The system was tested in the laboratory. In the article there have been introduced basic system features, as well as results analysis of performed tests. Keywords: Permanent magnet method, MTR, Non-destructive testing, NDT, Wire ropes Literatura [1] J. Kwaśniewski, Sz. Molski, H. Ruta, T. Krakowski: Wymagania techniczne i metrologiczne aparatury do badania lin o powierzchniowym styku drutów, w: (red. A. Tytko, M. Wójcik) Monografia Bezpieczeństwo pracy urządzeń transportowych w górnictwie, Centrum Badań i Dozoru Górnictwa Podziemnego Sp. z o. o, Lędziny 2013 [2] J. Kowalski: Projekt systemu magazynowania danych pomiarowych z badań lin stalowych, w: (red. Józef Kuleczka), Zastosowanie stałego pola magnetycznego w aparaturze do badania lin stalowych i innych przyrządach pomiarowych, Wydawnictwo AGH, Kraków 2006 [3] J. Kwaśniewski : Badania magnetyczne lin stalowych system certyfikacji personelu w metodzie MTR. Wydawnictwo AGH, Kraków 2010. [4] A. Tytko: Eksploatacja Lin Stalowych, "Śląsk" Wydawnictwo Naukowe, Katowice 2003. [5] A. Stanisz: Przystępny kurs statystyki z zastosowaniem STATISTICA PL na przykładach z medycyny Tom 1. Statystyki podstawowe, StatSoft Polska, Kraków 2006 [6] Oficjalna strona internetowa Raspberry Pi Foundation, www.raspberrypi.org, dostęp: 10.06.2015 9365